電源管理設(shè)計小貼士#94：倒置降壓器如何提供非隔離反激器的拓撲選擇

離線電源是最常見的電源之一，也稱為交流電源。隨著旨在集成典型家用功能的產(chǎn)品數(shù)量的增加，對所需輸出能力小于1瓦的低功率離線轉(zhuǎn)換器的需求也越來越大。對于這些應(yīng)用程序，最重要的設(shè)計方面是效率、集成和低成本。

在決定拓撲結(jié)構(gòu)時，反激通常是任何低功耗離線轉(zhuǎn)換器的首選。但是，如果不需要隔離，這可能不是最好的方法。假設(shè)終端設(shè)備是一個智能燈開關(guān)，用戶可以通過智能手機的應(yīng)用程序進行控制。在這種情況下，用戶在操作過程中不會接觸到暴露的電壓，因此不需要隔離。

對于離線電源來說，反激拓撲是一個合理的解決方案，因為它的物料清單（BOM）計數(shù)較低，只有少數(shù)功率級元件，并且變壓器的設(shè)計可以處理較寬的輸入電壓范圍。但是，如果設(shè)計的終端應(yīng)用不需要隔離呢？如果是這樣的話，考慮到輸入是離線的，設(shè)計師可能仍然會想要使用反激。帶集成場效應(yīng)晶體管（FET）和初級側(cè)調(diào)節(jié)的控制器會產(chǎn)生小的反激解決方案。

圖1顯示了使用帶初級側(cè)調(diào)節(jié)的UCC28910反激開關(guān)的非隔離反激的示例示意圖。雖然這是一個可行的選擇，但與具有較低BOM計數(shù)的反激相比，離線倒置降壓拓撲將具有更高的效率。在這篇電源管理設(shè)計小貼士中，我將探討用于低功耗AC/DC轉(zhuǎn)換的倒置降壓。

圖1 這種使用UCC28910反激開關(guān)的非隔離反激設(shè)計可將AC轉(zhuǎn)換為DC，但離線倒置拓撲可以更有效地完成此項工作。

圖2顯示了倒置降壓的功率級。像反激一樣，它有兩個開關(guān)元件，一個磁性元件（單電源電感器而不是變壓器）和兩個電容器。顧名思義，倒置降壓拓撲類似于降壓轉(zhuǎn)換器。開關(guān)在輸入電壓和接地之間產(chǎn)生一個開關(guān)波形，然后由電感電容網(wǎng)絡(luò)濾除。區(qū)別在于輸出電壓被調(diào)節(jié)為低于輸入電壓的電位。即使輸出“浮動”在輸入電壓以下，它仍然可以正常為下游電子器件供電。

圖2 倒置降壓功率級的簡化示意圖。

將場效應(yīng)晶體管放在低側(cè)意味著它可以直接從反激控制器驅(qū)動。圖3顯示了一個使用UCC28910反激開關(guān)的倒置降壓。一對一耦合電感器作為磁開關(guān)元件。一次繞組作為功率級電感器。二次繞組向控制器提供定時和輸出電壓調(diào)節(jié)信息，并為控制器的局部偏置電源（VDD）電容器充電。

圖3 一個使用UCC28910反激開關(guān)的倒置降壓設(shè)計示例。

反激拓撲的一個缺點是能量通過變壓器傳遞的方式。這種拓撲在場效應(yīng)管的接通時間內(nèi)將能量存儲在氣隙中，并在場效應(yīng)管的斷開時間內(nèi)將其傳輸?shù)酱渭?。實際的變壓器在初級側(cè)會有一些漏感。當能量轉(zhuǎn)移到次級側(cè)時，剩余的能量儲存在漏感中。這種能量是不可用的，且需要使用齊納二極管或電阻電容網(wǎng)絡(luò)進行耗散。

在降壓拓撲中，漏能通過二極管D7在場效應(yīng)管斷開期間傳遞到輸出端。這樣可以減少組件數(shù)量并提高效率。

另一個區(qū)別是每個磁性元件的設(shè)計和傳導(dǎo)損耗。因為一個倒置降壓只有一個繞組來傳輸功率，所以所有的功率傳輸電流都通過它，這就提供了良好的銅利用率。反激則不具有那么好的銅利用率。當場效應(yīng)管接通時，電流通過一次繞組而不是二次繞組。當場效應(yīng)管斷開時，電流通過二次繞組而不是一次繞組。因此，更多的能量儲存在變壓器中，并且在反激設(shè)計中利用更多的銅來提供相同的輸出功率。

圖4比較了具有相同輸入和輸出規(guī)格的降壓電感器和反激變壓器的一次和二次繞組的電流波形。降壓電感器波形在左側(cè)的單個藍色框中，反激的一次繞組和二次繞組在右側(cè)的兩個紅色框中。

對于每個波形，傳導(dǎo)損耗計算為均方根電流平方乘以繞組電阻。因為降壓只有一個繞組，所以磁場中的總傳導(dǎo)損耗就是一個繞組的損耗。然而，反激的總傳導(dǎo)損耗是一次繞組和二次繞組損耗之和。此外，反激中磁場的物理尺寸將比在類似功率水平下的倒置降壓設(shè)計更大。任一組件的儲能等于? L × IPK2。

對于圖4所示的波形，我計算出倒置降壓只需要存儲反激所需存儲的四分之一的功率，因此，與同等功率的反激設(shè)計相比，倒置降壓設(shè)計的占地面積要小得多。

圖4 降壓和反激拓撲中電流波形的比較

當不需要隔離時，反激拓撲并不總是低功耗離線應(yīng)用的最佳解決方案。倒置降壓可以提供更高的效率和更低的BOM成本，因為您可以使用一個可能更小的變壓器/電感器。對于電力電子器件設(shè)計人員來說，重要的是要考慮所有可能的拓撲解決方案，以確定最適合給定規(guī)格的拓撲。

John Dorosa是德州儀器公司的應(yīng)用工程師。